隨著車輛電氣化、虛擬傳感器和新型出行需求的發(fā)展，汽車主機(jī)廠也需要隨之提高車型開發(fā)流程的效率。為了滿足市場預(yù)期，開發(fā)團(tuán)隊(duì)必須評(píng)估新車的性能。然而，傳統(tǒng)的物理測(cè)試方法已經(jīng)不足以覆蓋每個(gè)設(shè)計(jì)單元，因此，虛擬驗(yàn)證車輛性能的需求在不斷增加。

這并不意味著物理試驗(yàn)需求在減少。為確保仿真結(jié)果的真實(shí)可信性，仿真模型與相關(guān)分析結(jié)果仍需與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，以確保分析結(jié)果的真實(shí)性。從以測(cè)試為中心的開發(fā)轉(zhuǎn)向基于模型的開發(fā)（MBD）的這一方法，通過緊密結(jié)合和平衡試驗(yàn)與仿真相關(guān)任務(wù)，提供了更為廣泛的工程應(yīng)用場景，從而提升了車輛開發(fā)的效率。

對(duì)車輛開發(fā)團(tuán)隊(duì)的影響

虛擬驗(yàn)證需求增長的同時(shí)，仿真工程師仍需通過調(diào)校模型參數(shù)、施加真實(shí)車輛載荷等方式驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。測(cè)試工程師則需確保從車輛各關(guān)鍵位置獲取精準(zhǔn)的物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。值得注意的是，試驗(yàn)與仿真領(lǐng)域長期存在數(shù)據(jù)交互的壁壘，跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)極易造成關(guān)鍵信息丟失。

基于模型的系統(tǒng)測(cè)試（MBST-Simcenter Model-based System Testing）專為解決此問題而設(shè)計(jì)，將仿真與測(cè)試整合至統(tǒng)一環(huán)境，主要功能包括：? 直觀可視化仿真模型及各級(jí)零部件的載荷輸入? 通過模型參數(shù)優(yōu)化創(chuàng)建高精度虛擬傳感器

測(cè)試軟件中的仿真模型可視化——Amesim sketch viewer

對(duì)于動(dòng)力總成或整車等復(fù)雜模型，在仿真軟件中逐級(jí)核查零部件載荷、開展專項(xiàng)載荷分析并比對(duì)結(jié)果需要耗費(fèi)大量時(shí)間。Simcenter Testlab創(chuàng)新性推出Amesim草圖查看器功能，可直接在測(cè)試軟件中開啟并可視化Amesim模型。該軟件專為處理海量數(shù)據(jù)和開展載荷分析而設(shè)計(jì)，可對(duì)Amesim仿真結(jié)果進(jìn)行與試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致的處理分析。

通過此工具，測(cè)試工程師能夠便捷訪問模型，深入理解系統(tǒng)整體架構(gòu)；仿真工程師則可運(yùn)用成熟的信號(hào)特征分析技術(shù)，對(duì)模型中的特定部件進(jìn)行專項(xiàng)研究。該方法有效彌補(bǔ)了仿真與試驗(yàn)之間的鴻溝，實(shí)現(xiàn)工程價(jià)值的最大化挖掘。

Amesim sketch viewer—在Testlab軟件對(duì)1D懸架模型進(jìn)行查看與分析

通過功能模擬接口（FMI）創(chuàng)建精確的虛擬傳感器

除了在我們的試驗(yàn)分析軟件環(huán)境中處理仿真數(shù)據(jù)外，由于功能模擬接口（FMI）標(biāo)準(zhǔn)的存在，我們還可以在向模型提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)輸入進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)分析。FMI標(biāo)準(zhǔn)提供了一種將仿真模型導(dǎo)入Simcenter Testlab的可能性，通過將仿真模型轉(zhuǎn)換為FMU模型，即可實(shí)現(xiàn)仿真模型的導(dǎo)入。這允許仿真工程師在Simcenter Testlab軟件中運(yùn)行仿真模型并直接更改模型參數(shù)。他們可以立即看到參數(shù)修改更改所帶來的影響，并將仿真數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以更好地優(yōu)化仿真模型。

從測(cè)試工程師的角度來看，并不是所有車輛上的載荷都很容易測(cè)量。首先，有限的試驗(yàn)資源限制了試驗(yàn)工程師在車輛上使用的傳感器數(shù)量。此外，有時(shí)一些特殊的測(cè)試點(diǎn)位由于空間的限制很難進(jìn)行傳感器的布置。這種情況下，我們可以使用虛擬傳感器技術(shù)，從仿真模型中識(shí)別虛擬傳感器的測(cè)試結(jié)果，并通過將真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入來獲取可信性更高的分析結(jié)果。所以我們需要注意：虛擬傳感器的結(jié)果精度取決于仿真模型的準(zhǔn)確性。

為此，我們可以通過上述模型優(yōu)化方法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真模型進(jìn)行相關(guān)性分析，從而標(biāo)定仿真模型。通過對(duì)我們關(guān)注的車輛性能（如振動(dòng)、噪聲、耐久性等）的仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比較，Simcenter Testlab能夠?qū)崿F(xiàn)精確虛擬傳感器的擴(kuò)展測(cè)量。

下面我們就以一個(gè)實(shí)際案例向大家展示“虛擬傳感器”在工程中的應(yīng)用。

應(yīng)用案例 – 基于西門子SimRod樣車的虛擬減震器載荷拾取

想象一下，我們需要從電動(dòng)汽車中獲取減震器激勵(lì)載荷，將其作為系統(tǒng)輸入激勵(lì)有限元模型進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)分析或是作為試驗(yàn)臺(tái)架的輸入用于疲勞耐久性分析。如果將力傳感器直接布置在減震器系統(tǒng)上會(huì)改變減震器周邊的結(jié)構(gòu)（例如會(huì)改變相關(guān)子系統(tǒng)的形狀），所以在實(shí)際工程應(yīng)用中激勵(lì)載荷直接測(cè)量法很難實(shí)現(xiàn)。

減震器的位移和施加的力存在關(guān)系。雖然位移容易測(cè)量，但如何準(zhǔn)確識(shí)別施加的力呢？比如，在評(píng)估耐久性時(shí)，力的幅度非常重要，任何變化都會(huì)影響結(jié)果。如果我們?cè)诠浪爿斎肓r(shí)出錯(cuò)，可能會(huì)導(dǎo)致過估計(jì)或欠估計(jì)的現(xiàn)象，進(jìn)而影響評(píng)估結(jié)果。

本案例基于西門子試驗(yàn)車輛SimRod進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，希望通過虛擬傳感器技術(shù)準(zhǔn)確識(shí)別減震器激勵(lì)力

SimRod 在粗糙路面的相關(guān)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)針對(duì)不同類型路面激勵(lì)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，路面類型包括：比利時(shí)路、鋸齒形路面（搓衣板路）、光滑柏油路面等。測(cè)試點(diǎn)位及相關(guān)傳感器布置如下：

• 力傳感器—右前輪Z方向；右后輪Z方向

• 加速度傳感器——右前輪轂Z方向；右后輪轂Z方向

• 加速度傳感器——右前車身側(cè)Z方向；右后車身側(cè)Z方向

• 位移傳感器——右前減震器上下側(cè)Z方向相對(duì)位移，右前減震器上下側(cè)Z方向相對(duì)位移

傳感器布置說明

這項(xiàng)研究旨在通過 MBST 方法，利用虛擬傳感器技術(shù)在邊界條件受限的情況下識(shí)別減震器激勵(lì)載荷。在這一目標(biāo)前提下，首先通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷分析，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)輸入，對(duì)1D仿真模型（源自 Simcenter Amesim）進(jìn)行了相關(guān)標(biāo)定工作。模型標(biāo)定完成后，我們針對(duì)汽車右前方和右后方的減震器創(chuàng)建了相應(yīng)的虛擬力傳感器。這樣一來，仿真團(tuán)隊(duì)便能開展基于有限元的分析，而試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)則能夠開展專門針對(duì)減震器的部件級(jí)臺(tái)架測(cè)試。

包含 Simcenter Amesim 模型的功能模擬單元 (FMU) 依賴于 4 自由度系統(tǒng)模型，如下所示。

Simcenter Amesim 創(chuàng)建4自由度SimRod懸架模型  

讓我們逐步了解 Simcenter Testlab 如何幫助我們創(chuàng)建精確的虛擬傳感器：

1. 在測(cè)試軟件中向仿真模型施加真實(shí)載荷

我們將 Amesim 模型以 FMU 的形式導(dǎo)入 Simcenter Testlab，并將 WFT（車輪力傳感器）獲得的測(cè)量車輪力按順序輸入模型，以獲得模擬輸出。

輸出通道包括上述所有 4 個(gè)測(cè)量量，現(xiàn)在還包括我們無法實(shí)際測(cè)量的虛擬減震器力。

FMU模型導(dǎo)入Testlab試驗(yàn)分析平臺(tái)

2. 驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性

由于我們可以測(cè)量減震器的位移，并從包含 Amesim 模型的 FMU 獲得相同的虛擬輸出，所以我們可以通過對(duì)比真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的差距從而進(jìn)行模型標(biāo)定。如果我們檢查前懸架右側(cè)減震器位移的測(cè)量通道和虛擬通道，就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的特征非常相似。

前懸架減震器位移（試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果對(duì)比）

這樣就可以證明我們的模型已經(jīng)滿足使用精度了嗎？——當(dāng)然不！

我們還需要通過計(jì)算這些位移通道上的雨流、Range pair、偽損傷和 PSD（功率譜密度）來進(jìn)一步檢查，以比較測(cè)量數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)之間的疲勞特性。

面向疲勞耐久的載荷數(shù)據(jù)分析（對(duì)比試驗(yàn)與仿真不同環(huán)境下的損失特性）

經(jīng)過分析流程后可以發(fā)現(xiàn)：前懸架系統(tǒng)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高，而后懸架系統(tǒng)存在顯著差異——虛擬試驗(yàn)的損傷是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的1.73倍。

后懸架系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果對(duì)比

3、模型修正與測(cè)量通道擴(kuò)展

根據(jù)前期分析結(jié)論，我們決定調(diào)整仿真模型參數(shù)，通過增強(qiáng)阻尼特性來降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。通過Simcenter Testlab平臺(tái)直接訪問FMU中的Amesim模型參數(shù)，經(jīng)過多輪參數(shù)調(diào)整，最終將后懸架彈簧阻尼系數(shù)提升至更精確的數(shù)值。

在Testlab環(huán)境中直接修改模型參數(shù)

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與優(yōu)化后的虛擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析顯示：后懸架偽損傷值已實(shí)現(xiàn)良好收斂（優(yōu)化后3.16e-42 vs 實(shí)測(cè)3.07e-42），相較于初始虛擬結(jié)果5.31e-42的損傷值，優(yōu)化效果顯著。需特別說明的是，本次試驗(yàn)周期較短且為試驗(yàn)場數(shù)據(jù)，實(shí)際工況下的損傷值通常呈現(xiàn)更高量級(jí)。

“偽損傷”分析結(jié)果對(duì)比：試驗(yàn)VS初始仿真VS標(biāo)定后仿真 

由于我們之前已經(jīng)將虛擬減震器激勵(lì)載荷作為仿真模型的輸出量，在對(duì)后懸架減震彈簧阻尼比進(jìn)行調(diào)整后，我們已成功獲取了相關(guān)數(shù)據(jù)并完成了相關(guān)性分析?，F(xiàn)在，我們可以在單次仿真運(yùn)行中輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與兩個(gè)經(jīng)過相關(guān)性分析的虛擬減震器作用力通道（前右和后右）的集成分析。

整合8個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與2個(gè)虛擬傳感器數(shù)據(jù)為一組“新”的數(shù)據(jù)集

通過將仿真輸出的虛擬減振器力（右前/右后）與8個(gè)實(shí)測(cè)通道進(jìn)行集成，我們成功構(gòu)建了包含10個(gè)通道的比利時(shí)石塊路面擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集可直接用于后續(xù)耐久性評(píng)估，充分體現(xiàn)了以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：? Simcenter Testlab內(nèi)嵌Amesim模型，輕松實(shí)現(xiàn)模型可視化? 基于FMU接口的模型參數(shù)化調(diào)試? 通過FMU創(chuàng)建虛擬傳感器

包含試驗(yàn)與虛擬傳感器數(shù)據(jù)的新的數(shù)據(jù)集合

通過基于模型的系統(tǒng)測(cè)試（MBST）方法，Simcenter Testlab實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)與仿真的有機(jī)融合，體現(xiàn)出了"更深入的工程應(yīng)用能力、更精準(zhǔn)的仿真模型迭代、更高效的測(cè)試優(yōu)化"的獨(dú)特技術(shù)價(jià)值。值得強(qiáng)調(diào)的是，所有先進(jìn)分析方法均集成在Simcenter Testlab這一單一軟件環(huán)境中。該平臺(tái)不僅具備數(shù)據(jù)采集功能，還能完成耐久性、NVH、聲學(xué)、振動(dòng)控制等不同測(cè)試場景下的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科測(cè)試需求的全流程覆蓋。